JP2016536949A - Silicon-based image sensor with improved read dynamic range - Google Patents

Silicon-based image sensor with improved read dynamic range Download PDF

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Abstract

画像センサにおいて、ピクセルの光感応要素によって収集された電荷(電子)を蓄積する、ピクセルの蓄積ノードNSの実効静電容量は、蓄積ノードに接続されたフォロワトランジスタT3の供給VREFPに影響を与えるフィードバックループ100を用いて、蓄積ノードの見掛けの静電容量がループの利得GLに依存するような方法で変更される。利得を変更することによって、蓄積ノードの静電容量、ひいては、この静電容量に逆比例する電荷/電圧変換係数が変更される。In the image sensor, the effective capacitance of the storage node NS of the pixel, which stores the charge (electrons) collected by the light sensitive element of the pixel, affects the supply VREFP of the follower transistor T3 connected to the storage node. Using the loop 100, the storage node's apparent capacitance is changed in a manner that depends on the loop gain GL. By changing the gain, the capacitance of the storage node, and hence the charge / voltage conversion coefficient inversely proportional to the capacitance, is changed.

Description

本発明の分野は、シリコンベースの画像センサ、マトリックスセンサおよび線形センサの両方の分野であり、それらのダイナミックレンジを改善することが意図される。   The field of the invention is that of both silicon-based image sensors, matrix sensors and linear sensors, and is intended to improve their dynamic range.

センサのダイナミックレンジはデシベル(dB)単位で表され、出力において観察可能である、低照度に対応する最も弱い信号を決定するセンサの背景ノイズレベルに対する、高照度に対応する最も強い信号の比によって定義される。この背景ノイズレベルは、センサの技術およびピクセルを読み取るための電子システムの特性に依存する。大きいシーンダイナミックレンジを有するセンサという用語は概ね、ダイナミックレンジが80dBよりも大きいセンサを指す。   The dynamic range of the sensor is expressed in decibels (dB) and is observable at the output by the ratio of the strongest signal corresponding to high illumination to the background noise level of the sensor that determines the weakest signal corresponding to low illumination. Defined. This background noise level depends on the technology of the sensor and the characteristics of the electronic system for reading the pixel. The term sensor with a large scene dynamic range generally refers to a sensor with a dynamic range greater than 80 dB.

センサのダイナミックレンジは、ピクセルに固有の特性およびその構造、特に、光子を電子に変換するその能力、すなわち、量子効率、および収集された電子を電圧に変換するその能力、すなわち、電荷/電圧変換利得、ならびにピクセルの下流の読み取り回路に固有の特性:読み取り回路の利得、および読み取り回路のアナログ/デジタル変換器によって許容可能な電圧の偏位に依存する。このダイナミックレンジはまた、技術的要因によっても制約を受ける。ピクセルが形成される光感応領域内では、これは、とりわけ、ピクセルのフィルファクタ、すなわち、ピクセルの総表面積に対するピクセルの光感応領域の比に関連し、光感応領域の周りの周辺領域内では、これは、読み取り回路のために利用可能なシリコンの表面積に関連する。変換速度および電力消費も考慮されなければならない。   The dynamic range of the sensor is a characteristic of the pixel and its structure, in particular its ability to convert photons to electrons, ie quantum efficiency, and its ability to convert collected electrons to voltage, ie charge / voltage conversion. Gain, as well as the characteristics inherent in the readout circuit downstream of the pixel: depends on the gain of the readout circuit and the voltage excursion allowable by the analog / digital converter of the readout circuit. This dynamic range is also constrained by technical factors. Within the light sensitive region where the pixel is formed, this is related, inter alia, to the pixel fill factor, i.e. the ratio of the pixel light sensitive region to the total surface area of the pixel, and within the peripheral region around the light sensitive region, This is related to the silicon surface area available for the read circuit. Conversion speed and power consumption must also be considered.

80、84、90dBまたはそれを超える大きいシーンダイナミックレンジを提供するセンサを製作することを追及する場合には、センサの積分期間の間に大量の電荷を蓄積することを可能にするピクセル構造を有することが必要になる。そうしなければ、高照度で照明されたピクセルのレベルにおいて、測定システムを飽和させるリスクがある。しかし、このときには、電圧への電荷の変換の利得は比較的低くなければならない。そうしなければ、読み取り回路およびアナログ/デジタル変換回路は飽和することになる。   When seeking to fabricate a sensor that provides a large scene dynamic range of 80, 84, 90 dB or more, it has a pixel structure that allows a large amount of charge to accumulate during the sensor integration period. It will be necessary. Otherwise there is a risk of saturating the measurement system at the level of pixels illuminated at high illumination. However, at this time, the gain of the conversion of charge to voltage must be relatively low. Otherwise, the reading circuit and the analog / digital conversion circuit will be saturated.

本発明の目的は、高照度の場合には飽和を回避し、低照度の場合には十分に高い電荷/電圧変換利得を維持するために、受光された照度に適合されることができる利得を得るべく、ピクセルの電荷/電圧変換利得を調整するための解決策を提供することである。   The object of the present invention is to provide a gain that can be adapted to the received illuminance in order to avoid saturation in high illuminance and maintain a sufficiently high charge / voltage conversion gain in low illuminance. In order to obtain, it is to provide a solution for adjusting the charge / voltage conversion gain of the pixel.

シリコンベースのアクティブピクセルを備えるセンサのピクセルの基本構造は以下のものを備える:
− 光感応要素の固有静電容量によって形成されるか、または(4つ以上のトランジスタピクセルを備える)中間蓄積ノードを含むアクティブピクセル構造において、電荷転送トランジスタによって光感応要素に接続される別個のキャパシタによって形成され得る、ピクセルの光感応要素によって収集された電荷(電子)を蓄積する容量性蓄積ノード、ならびに
− この蓄積ノードに接続されるフォロワトランジスタであって、その出力において蓄積ノード上の電荷量を表す電圧レベルを提供する、フォロワトランジスタ。
The basic structure of a sensor pixel comprising a silicon-based active pixel comprises:
A separate capacitor formed by the intrinsic capacitance of the light sensitive element or connected to the light sensitive element by a charge transfer transistor in an active pixel structure comprising an intermediate storage node (comprising four or more transistor pixels) A capacitive storage node for storing charge (electrons) collected by the light sensitive elements of the pixel, and a follower transistor connected to the storage node, the amount of charge on the storage node at its output A follower transistor that provides a voltage level representative of

本発明が基づく技術的解決策は、蓄積ノードに接続されたフォロワトランジスタの供給に影響を与えるフィードバックループを用いることによって、蓄積ノードの見掛けの静電容量がループの利得に依存するような方法でピクセルの蓄積ノードの実効静電容量を変更することに主に依拠する。利得を変更することによって、蓄積ノードの静電容量、ひいては、この静電容量に逆比例する電荷/電圧変換係数が変更される。   The technical solution on which the present invention is based is such that by using a feedback loop that affects the supply of the follower transistor connected to the storage node, the apparent capacitance of the storage node depends on the loop gain. It mainly relies on changing the effective capacitance of the pixel storage node. By changing the gain, the capacitance of the storage node, and hence the charge / voltage conversion coefficient inversely proportional to the capacitance, is changed.

蓄積ノードの実効静電容量のこの変更は、実効静電容量が、蓄積ノードの固有静電容量、蓄積ノードに接続されたフォロワトランジスタのゲート/ソース静電容量およびゲート/ドレイン静電容量の和であり、これらの後者の2つの静電容量が各々、ミラー効果によって蓄積ノードと並列にそれぞれの重み付け係数を付してもたらされ、重み付け係数が、ゲート/ドレイン静電容量について、フォロワトランジスタの利得およびフィードバックループの利得に依存するという事実によって主に生じる。   This change in the effective capacitance of the storage node means that the effective capacitance is the sum of the intrinsic capacitance of the storage node, the gate / source capacitance of the follower transistor connected to the storage node, and the gate / drain capacitance. These latter two capacitances are each provided with a respective weighting factor in parallel with the storage node by the Miller effect, the weighting factor for the gate / drain capacitance being the follower transistor's This is mainly caused by the fact that it depends on the gain and the gain of the feedback loop.

したがって、本発明は、アクティブピクセルを備える画像センサであって、ピクセルおよび読み取り回路を備え、各ピクセルは、少なくとも1つの光感応要素、この光感応要素によって発生された電荷の蓄積のためのノード、およびフォロワトランジスタを有し、フォロワトランジスタのゲートは蓄積ノードに接続され、フォロワトランジスタのソースは、列導体であって、それ自体が読み取り回路に接続される列導体に接続され、フォロワトランジスタのドレインは供給電圧を受ける、画像センサにおいて、フィードバックループが設けられ、このループは、列導体に接続される入力、およびフォロワトランジスタの供給電圧を提供するためにフォロワトランジスタのドレインに接続される出力を有することと、受光された照度の関数としてフィードバックループの挙動を変更するための手段が設けられることとを特徴とする、画像センサを提供する。   Accordingly, the present invention is an image sensor comprising active pixels, comprising a pixel and a readout circuit, each pixel comprising at least one light sensitive element, a node for accumulation of charge generated by the light sensitive element, And the gate of the follower transistor is connected to the storage node, the source of the follower transistor is connected to the column conductor, which itself is connected to the read circuit, and the drain of the follower transistor is In an image sensor that receives a supply voltage, a feedback loop is provided that has an input connected to the column conductor and an output connected to the drain of the follower transistor to provide the supply voltage of the follower transistor. And a function of the received illuminance. It means for changing the behavior of the feedback loop and in that is provided, to provide an image sensor.

フィードバックループの挙動は、受光された照度の関数としてループを有効または無効にすることによって変更されてもよい。代替的に、それは、受光された照度の関数としてループの利得を変更することによって変更されてもよい。   The behavior of the feedback loop may be altered by enabling or disabling the loop as a function of received illumination. Alternatively, it may be changed by changing the gain of the loop as a function of received illumination.

いずれの場合においても、受光された照度は、センサによって受光された全照度であってもよいか、またはそれは、ピクセル自体によって受光された照度であってもよい。   In either case, the received illuminance may be the total illuminance received by the sensor, or it may be the illuminance received by the pixel itself.

照度がセンサの全照度である場合、全照度の自動検出、およびこの検出の関数としてループの挙動に対する操作を提供することが可能であるか、あるいは、ユーザによる手動操作を提供することが可能である。ユーザは、高照度モードに入ることを望むのか、または低照度モードに入ることを望むのかを決定し、その結果、利得を変更するか、またはループを有効もしくは無効にする。   If the illuminance is the total illuminance of the sensor, it is possible to provide automatic detection of the total illuminance and an operation on the behavior of the loop as a function of this detection or a manual operation by the user can be provided is there. The user decides whether he wants to enter the high light mode or the low light mode, and as a result changes the gain or enables or disables the loop.

他方で、照度が他のピクセルから独立したピクセル自体によって受光された照度である場合、ループの挙動は、好ましくは、蓄積ノードの電荷が読み取られるときに列導体上に存在する電圧の関数として変更されることになる。なぜなら、この電圧は、ピクセルによって受光された照度を表すためである。例えば、列上に存在する電圧レベルに従って、異なるループ利得が選ばれることになる。   On the other hand, if the illuminance is the illuminance received by the pixel itself independent of other pixels, the behavior of the loop preferably changes as a function of the voltage present on the column conductor when the storage node charge is read. Will be. This is because this voltage represents the illuminance received by the pixel. For example, different loop gains will be chosen according to the voltage level present on the column.

特に、ループ利得は正または負であってもよい。それが負である場合には、それは蓄積ノードの実効静電容量を増大させ、その結果、電荷/電圧変換係数を減少させる。それが正である場合には、それは蓄積ノードの実効静電容量を減少させ、電荷/電圧変換係数を大幅に増大させる。したがって、好ましくは、受光された照度の関数としてループ利得を正または負にするための準備がなされてもよい。   In particular, the loop gain may be positive or negative. If it is negative, it increases the effective capacitance of the storage node and consequently decreases the charge / voltage conversion factor. If it is positive, it reduces the effective capacitance of the storage node and greatly increases the charge / voltage conversion factor. Thus, preferably, provisions may be made to make the loop gain positive or negative as a function of received illumination.

フィードバックループは好ましくは、光感応要素から蓄積ノードへの電荷の転送の前における、蓄積ノードを再初期化する段階の間に無効にされる。   The feedback loop is preferably disabled during the phase of reinitializing the storage node prior to transfer of charge from the photosensitive element to the storage node.

好ましくは、フィードバックループは、負の利得を有する第1の増幅器であって、その入力が列導体に接続される、第1の増幅器と、負の利得を有する第2の増幅器であって、その入力が第1の増幅器の出力に接続される、第2の増幅器と、2つの増幅器の出力にそれぞれ接続される2つの入力を有するコンパレータと、コンパレータによって制御される経路選択手段であって、第1の増幅器の出力または第2の増幅器の出力のいずれかをフォロワトランジスタのドレインへ案内するための経路選択手段とを備える。   Preferably, the feedback loop is a first amplifier having a negative gain, the first amplifier having its input connected to the column conductor and the second amplifier having a negative gain, the A second amplifier having an input connected to the output of the first amplifier, a comparator having two inputs connected to the outputs of the two amplifiers, respectively, and path selection means controlled by the comparator, Path selection means for guiding either the output of the first amplifier or the output of the second amplifier to the drain of the follower transistor.

好ましくは、第1の増幅器は、第1の基準電圧に接続される第1の入力と、入力キャパシタに接続される第2の入力と、フィードバックキャパシタと、蓄積ノードを初期化する段階の間にフィードバックキャパシタを短絡させるためのスイッチとを備え、および第2の増幅器は、第2の基準電圧に接続される第1の入力と、入力キャパシタに接続される第2の入力と、フィードバックキャパシタと、蓄積ノードを初期化する段階の間にフィードバックキャパシタを短絡させるためのスイッチとを備える。   Preferably, the first amplifier has a first input connected to the first reference voltage, a second input connected to the input capacitor, a feedback capacitor, and during the step of initializing the storage node. A switch for shorting the feedback capacitor, and the second amplifier includes a first input connected to the second reference voltage, a second input connected to the input capacitor, a feedback capacitor, A switch for shorting the feedback capacitor during the phase of initializing the storage node.

提案される解決策はピクセルのフィルファクタに影響を与えない。これはさらなる利点となる。   The proposed solution does not affect the pixel fill factor. This is a further advantage.

本発明の他の特徴および利点が、示唆として、限定を含意することなく提供される以下の詳細な説明において、添付の図面を参照しつつ示される。   Other features and advantages of the present invention will be set forth in the following detailed description which is provided, without implying any limitation, with reference to the accompanying drawings.

従来技術に係る、4つのトランジスタを備えるCMOSセンサピクセルの基本構造を示す。1 shows the basic structure of a CMOS sensor pixel comprising four transistors according to the prior art. 従来技術に係る、4つのトランジスタを備えるCMOSセンサピクセルを読み取るための関連シーケンス信号を示す。Fig. 3 shows a related sequence signal for reading a CMOS sensor pixel comprising four transistors according to the prior art. 本発明に係る、ピクセル列の導体と、これらのピクセルのフォロワトランジスタのドレインとの間のフィードバックループを示す。Fig. 4 shows a feedback loop between the conductors of the pixel columns and the drains of the follower transistors of these pixels according to the invention. 本発明に係る、負の利得を有する増幅器を有するフィードバックループの第1の実施形態を示す。1 illustrates a first embodiment of a feedback loop having an amplifier with negative gain according to the present invention. 電荷転送段階の間におけるフィードバックループの効果を示す時間ダイアグラムを示す。Figure 5 shows a time diagram illustrating the effect of a feedback loop during the charge transfer phase. 負の利得を各々有する2つの増幅器、および蓄積ノード内に蓄積された電荷の読み取りの間に列導体によって提供される電圧の関数としてループ利得を正の値または負の値に固定することを可能にするコンパレータを有する、本発明に係るフィードバックループの第2の実施形態を示す。Two amplifiers each having a negative gain, and the loop gain can be fixed to a positive or negative value as a function of the voltage provided by the column conductor during the reading of the charge stored in the storage node 2 shows a second embodiment of a feedback loop according to the invention with a comparator 2つの増幅器を有する上記のフィードバックループを備えるピクセルを読み取るシーケンス内における個々の信号の時間ダイアグラムであり、列電圧の場合において、ピクセルの低照度レベルに対応する。Fig. 4 is a time diagram of individual signals in a sequence reading a pixel with the above feedback loop with two amplifiers, corresponding to the low illumination level of the pixel in the case of column voltage. 2つの増幅器を有する上記のフィードバックループを備えるピクセルを読み取るシーケンス内における個々の信号の時間ダイアグラムであり、列電圧の場合において、ピクセルの高照度レベルに対応する。Fig. 4 is a time diagram of individual signals in a sequence reading a pixel with the above feedback loop with two amplifiers, corresponding to the high illumination level of the pixel in the case of a column voltage.

本発明は、4つのトランジスタを備えるCMOSセンサのアクティブピクセル構造への適用例において説明されることになる。しかし、本発明の適用分野は、実際には、フォロワトランジスタに結合される電荷蓄積ノードを有するピクセルの様々な構造:より多くのトランジスタを使用する、より複雑な構造を有するピクセル、または容量性蓄積ノードを直接構成するものが光感応要素の静電容量である、3つのトランジスタを備える構造を有するピクセルにより幅広く適合する。   The invention will be described in an application to an active pixel structure of a CMOS sensor with four transistors. However, the field of application of the present invention is actually the various structures of pixels with charge storage nodes coupled to follower transistors: pixels with more complex structures, using more transistors, or capacitive storage It is more widely adapted to pixels having a structure with three transistors, where it is the capacitance of the photosensitive element that directly constitutes the node.

図1aおよび図1bは、CMOSセンサマトリックスの4つのトランジスタを備えるピクセルPIXの構造、およびピクセルPIXの信号を読み取るシーケンスを示す。マトリックスは、同一の構造を有するピクセルの行および列として編成される。   1a and 1b show the structure of a pixel PIX comprising four transistors of a CMOS sensor matrix and the sequence for reading the signal of the pixel PIX. The matrix is organized as rows and columns of pixels having the same structure.

各ピクセルPIXは、ピクセルの所与の列の全てのピクセルを接続する列導体に接続される。各列導体は、一般的にマトリックスの全ての列に共通であり、列の、読み取りのために選択されたピクセルを読み取るために必要な電流を提供する電流源CC、および読み取りのために選択されたピクセルPIXによって列導体に印加された電圧レベルVcolをデジタル形式に変換する、列のピクセルを読み取るための回路ADCに接続される。この電圧レベルVcolは、ピクセルによって受光された照度を表す。   Each pixel PIX is connected to a column conductor that connects all the pixels in a given column of pixels. Each column conductor is generally common to all columns of the matrix and is selected for reading, a current source CC that provides the current required to read the pixels selected for reading of the column. Connected to a circuit ADC for reading the pixels of the column, which converts the voltage level Vcol applied to the column conductor by the pixel PIX into a digital form. This voltage level Vcol represents the illuminance received by the pixel.

本例では、ピクセルの光感応要素はフォトダイオードDphである。他の光感応要素、例えば、MOSキャパシタが用いられてもよい。   In this example, the light sensitive element of the pixel is a photodiode Dph. Other light sensitive elements such as MOS capacitors may be used.

このフォトダイオードは、フォトダイオードによって収集された電荷を蓄積ノードNSの静電容量Csに転送する段階TRAの間には、トランジスタT1によって容量性蓄積ノードNSに接続される。   This photodiode is connected to the capacitive storage node NS by a transistor T1 during the stage TRA of transferring the charges collected by the photodiode to the capacitance Cs of the storage node NS.

フォロワトランジスタT3が、電流源CCによって提供される一定の電流を供給されたそのソース上において、容量性蓄積ノード上に転送された電荷量を表す出力電圧を提供する。ピクセルが読み取りのために選択されているときには、そのゲートgは蓄積ノードNSに接続され、そのドレインdは、フォロワモードでトランジスタT3をバイアスする(飽和モードでバイアスする)ために十分な供給電圧VREFPを受け、蓄積ノードの電圧を列導体上へ複製することが可能になる。 A follower transistor T3 provides an output voltage representing the amount of charge transferred on the capacitive storage node on its source supplied with a constant current provided by the current source CC. When the pixel is selected for reading, its gate g is connected to the storage node NS, and its drain d is sufficient supply voltage V to bias transistor T3 in follower mode (bias in saturation mode). Upon receiving the REFP , it becomes possible to replicate the voltage of the storage node onto the column conductor.

フォロワトランジスタT3のソースと、所与の列のピクセルを接続する列導体COLとの間に、選択トランジスタT4が接続される。そのゲートは、導体線LIであって、それによってピクセルのための選択信号(SEL)が印加される導体線LIに接続される。ピクセルが読み取りのために選択されると、トランジスタT3はフォロワとして動作し、列導体上の電圧Vcolはピクセルの出力電圧に設定される。   A selection transistor T4 is connected between the source of the follower transistor T3 and the column conductor COL connecting the pixels of a given column. Its gate is connected to a conductor line LI to which a selection signal (SEL) for the pixel is applied. When the pixel is selected for reading, transistor T3 operates as a follower and the voltage Vcol on the column conductor is set to the output voltage of the pixel.

蓄積ノードNSを再初期化するための再初期化トランジスタT2が設けられる。本例では、それは供給電圧VREFPと蓄積ノードNSとの間に接続され、このノードを電圧VREFPに至らせる。 A reinitialization transistor T2 is provided for reinitializing the storage node NS. In this example, it is connected between the supply voltage V REFP and the storage node NS, bringing this node to the voltage V REFP .

ピクセルが読み取りのために選択されると(信号SELがアクティブになると)、ノードにおける電圧が設定され、再初期化レベルVREFPにおいて安定化する、蓄積ノードNSを初期化する段階が、信号RSNSによって実行され、蓄積ノードにおける電圧が、ピクセルの電荷/電圧変換係数の関数として、ノードNSによって蓄積された電荷量を表す作動レベルに設定されることになる、光感応要素Dphによって収集された電荷を蓄積ノードNSへ転送する段階が、信号TRAによって実行される。したがって、この間に、フォロワトランジスタの閾値電圧以内で蓄積ノード上の電圧の複製である列COL上の電圧Vcolは、対応する再初期化レベルに設定され、その後、対応する作動レベルに設定される。 When the pixel is selected for reading (when the signal SEL becomes active), the step of initializing the storage node NS, where the voltage at the node is set and stabilizes at the reinitialization level V REFP , is the signal RS NS The charge collected by the light sensitive element Dph is set to a working level representing the amount of charge accumulated by the node NS as a function of the pixel charge / voltage conversion factor. Is transferred to the storage node NS by the signal TRA. During this time, therefore, the voltage Vcol on the column COL, which is a replica of the voltage on the storage node within the threshold voltage of the follower transistor, is set to the corresponding reinitialization level and then to the corresponding operating level.

概して、読み取り回路ADCによるピクセルの読み取りは、再初期化レベルを表す第1のデジタル値を得るために初期化段階(RSNS)と転送段階(TRA)との間に実行される、電圧Vcolの第1のアナログ/デジタル変換と、作動レベルを表す第2のデジタル値を得るために転送段階の後に実行される、電圧Vcolの第2の変換と、その後の得られた2つのデジタル値の間の減算とからなる。ピクセルによって受光された照度を表し、容量性蓄積ノードに関連付けられる相関ノイズを含まない測定値である、デジタル計算結果が得られる。 In general, the reading of the pixel by the reading circuit ADC is performed between the initialization phase (RS NS ) and the transfer phase (TRA) to obtain a first digital value representing the reinitialization level of the voltage Vcol. Between the first analog / digital conversion and the second conversion of the voltage Vcol, which is performed after the transfer phase to obtain a second digital value representing the operating level, and the subsequent two digital values obtained Of subtraction. A digital calculation result is obtained that represents the illuminance received by the pixel and is a measurement that does not include correlated noise associated with the capacitive storage node.

ピクセル構造および対応する読み取りシーケンスを説明したところで、次に、ピクセルの使用可能なダイナミックレンジを改善するために、本発明によりピクセルの容量性蓄積ノードにおける電荷/電圧変換係数がどのように影響を受け得るかについて説明する。   Having described the pixel structure and the corresponding read sequence, then, in order to improve the usable dynamic range of the pixel, how the present invention affects the charge / voltage conversion coefficient at the capacitive storage node of the pixel. Explain how to get.

ピクセルの電荷/電圧変換係数は、ボルト毎電子単位で表され、ピクセルについて、ピクセルの光感応要素によって収集された電子に対して読み取り回路ADCの入力において得られることになる電圧レベルを規定する。   The pixel charge / voltage conversion factor is expressed in volts per electron and defines for the pixel the voltage level that will be obtained at the input of the reading circuit ADC for electrons collected by the light sensitive element of the pixel.

図2は、変換係数の定義に関与するピクセルの要素またはパラメータ:ピクセルの蓄積ノードNSの静電容量CNS、ならびにフォロワトランジスタの利得および固有静電容量の詳細を示す。Gと表されるフォロワトランジスタの利得は1に近く、概ね0.8または0.9程度である。フォロワトランジスタの固有静電容量は、トランジスタT3のゲートとソースとの間の静電容量Cgs、およびフォロワトランジスタT3のゲートとドレインとの間の静電容量Cgdである。このフォロワトランジスタは固有の利得を有する。 FIG. 2 shows the details of the pixel elements or parameters involved in the definition of the conversion factor: the capacitance C NS of the pixel storage node NS , and the gain and intrinsic capacitance of the follower transistor. The gain of the follower transistor represented by G f is close to 1 and is about 0.8 or 0.9. The intrinsic capacitance of the follower transistor is the capacitance C gs between the gate and the source of the transistor T3 and the capacitance C gd between the gate and the drain of the follower transistor T3. This follower transistor has an inherent gain.

したがって、蓄積ノードNSによって見られる総静電容量は、静電容量CNSおよびCgdの寄与、ならびに静電容量Cgsの寄与を含むが、後者は、ミラー効果によって(1−G)Cgsに低減された比率によるものである。 Thus, the total capacitance seen by the storage node NS includes contributions of capacitances C NS and C gd , as well as contributions of capacitance C gs , but the latter is due to the Miller effect (1-G f ) C This is due to the reduced ratio to gs .

このとき、このピクセル構造について電荷/電圧変換係数は次式のように記述される。

Figure 2016536949
ここで、qは電子の電荷である。 At this time, the charge / voltage conversion coefficient for this pixel structure is described as:
Figure 2016536949
Here, q is the charge of electrons.

この定義は、従来技術(図1a)に係る、電源によってセンサの全てのピクセルに提供される、固定基準電圧VREFPでバイアスされるフォロワトランジスタに接続された容量性蓄積ノードを有するピクセル構造のために適用される。 This definition is for a pixel structure with a capacitive storage node connected to a follower transistor biased with a fixed reference voltage V REFP provided to all pixels of the sensor by a power supply according to the prior art (FIG. 1a). Applies to

本発明では、図2に示されるように、電圧VREFPは、ピクセルの読み取りの間において、列導体と列のピクセルのフォロワトランジスタのドレインとの間に挿入された、ループ利得Gを有するフィードバックループ100によって提供される。 In the present invention, as shown in FIG. 2, the voltage V REFP is fed back between the column conductor and the drain of the follower transistor of the column pixel during the pixel reading, with a loop gain GL. Provided by loop 100.

より正確には、フィードバックループ100は、その入力101を列導体COLに接続される。その出力102は、列COLのピクセルの各々のフォロワトランジスタT3のドレインに供給する供給導体に接続される。   More precisely, the feedback loop 100 has its input 101 connected to the column conductor COL. Its output 102 is connected to a supply conductor that feeds the drain of the follower transistor T3 of each pixel in column COL.

それゆえ、実際には、列ごとに1つのフィードバックループが存在することになる。   Therefore, in practice, there will be one feedback loop per column.

このとき、列のピクセルの読み取りの間に印加されるドレイン電圧は、このピクセルの読み取りの間に列導体によって提供される電圧Vcolに依存する。このように、蓄積ノードNSから見ると、変換係数CVFに対するトランジスタのゲート/ドレイン静電容量Cgdの寄与もまた、本発明に係るフィードバックループによって付加されたミラー効果に比例するようになる。この比率はフォロワトランジスタの利得およびループの利得に依存する。 At this time, the drain voltage applied during the pixel reading depends on the voltage Vcol provided by the column conductor during the pixel reading. Thus, when viewed from the storage node NS, the contribution of the gate / drain capacitance C gd of the transistor to the conversion factor CVF is also proportional to the Miller effect added by the feedback loop according to the present invention. This ratio depends on the gain of the follower transistor and the gain of the loop.

より正確には、このとき、利得Gを有するフィードバックループを有するこのピクセル構造について、電荷/電圧変換係数は次式のように記述される。

Figure 2016536949
More precisely, for this pixel structure having a feedback loop with a gain GL , the charge / voltage conversion factor is then described as:
Figure 2016536949

したがって、フィードバックループ100によって、電荷/電圧変換係数の値を変更するためにフォロワトランジスタのゲート/ドレイン静電容量を用いることが可能になる。負のループ利得Gを有する場合には、蓄積ノードの実効静電容量に対するこのゲート/ドレイン静電容量の寄与は増大する。その結果、電荷/電圧変換係数CVFは減少する。高照度レベルの方のセンサのダイナミックレンジが改善される。逆に、正のループ利得を有する場合には、このゲート/ドレイン静電容量の寄与はさらに「負」になり、これにより、係数CVFを増大させることが可能になる。これは低照度レベルにおいて有利である。 Therefore, the feedback loop 100 allows the use of the gate / drain capacitance of the follower transistor to change the value of the charge / voltage conversion coefficient. With a negative loop gain GL , the contribution of this gate / drain capacitance to the effective capacitance of the storage node increases. As a result, the charge / voltage conversion coefficient CVF decreases. The dynamic range of the sensor at the higher illumination level is improved. Conversely, if it has a positive loop gain, this gate / drain capacitance contribution will be further “negative”, which allows the coefficient CVF to be increased. This is advantageous at low illumination levels.

したがって、フィードバックループ100によって、所与のピクセル構造および読み取り電子システムのために、ピクセルの使用可能なダイナミックレンジを改善することが可能になる。それは、実際には、高照度レベルおよび/または低照度レベルのためのダイナミックレンジを改善するために実装されてもよい。   Thus, the feedback loop 100 allows the usable dynamic range of the pixel to be improved for a given pixel structure and readout electronic system. It may actually be implemented to improve the dynamic range for high and / or low illumination levels.

次に、図3および図4を参照して、本発明およびその適用がより深く理解されることを可能にする様々な実際的な例示的実施形態が説明される。理解を容易にするために、個々の図に共通の要素は同じ参照符号を有する。   Referring now to FIGS. 3 and 4, various practical exemplary embodiments are described that allow the invention and its applications to be better understood. For ease of understanding, elements common to the individual figures have the same reference numerals.

図3に、所定の負のループ利得Gを有するフィードバックループの第1の例示的な実施形態が示される。同図には、ピクセルの同じ列COLの2つの連続したピクセルPIXおよびPIXi+1が示される。これらの2つのピクセルは、ピクセルPIXについて、マトリックスの順位iの行の選択のための信号SELによって制御され、ピクセルPIXi+1について、順位i+1の次の行の選択のための信号SELi+1によって制御される、それらのそれぞれの選択トランジスタによって列導体COLに接続される。選択信号は、一度に列の単一のピクセルが読み取りのために選択されるように順序付けられる。列のピクセルが読み取りのために選択されると、そのピクセルのトランジスタT3はそのソースを電流源CCに接続され、フォロワとして動作する。 FIG. 3 shows a first exemplary embodiment of a feedback loop having a predetermined negative loop gain GL . The figure shows two consecutive pixels PIX i and PIX i + 1 in the same column COL of pixels. These two pixels, the pixel PIX i, is controlled by a signal SEL i for selection of a row of rank i of the matrix, the pixel PIX i + 1, the signal SEL i + 1 for the selection of the next row of rank i + 1 Connected to the column conductor COL by their respective select transistors to be controlled. The selection signals are ordered so that a single pixel in the column is selected for reading at a time. When a column of pixels is selected for reading, the transistor T3 of that pixel has its source connected to the current source CC and operates as a follower.

利得Gを有するフィードバックループ100は、負の利得G1を有する増幅器AMP1によって形成される。ここでは、G=G1である。増幅器は、列導体COLに接続される入力e1を有する。他方の入力e2は基準電圧VREFを受ける。この基準電圧VREFはマトリックスの全てのピクセルに共通である。増幅器の出力はループの出力102を形成する。それは、列の全てのピクセルのフォロワトランジスタT3のドレイン供給導体に接続される。 A feedback loop 100 having a gain GL is formed by an amplifier AMP1 having a negative gain G1. Here, G L = G1. The amplifier has an input e1 connected to the column conductor COL. The other input e2 receives a reference voltage VREF . This reference voltage V REF is common to all pixels of the matrix. The output of the amplifier forms the output 102 of the loop. It is connected to the drain supply conductor of the follower transistor T3 of all the pixels in the column.

好ましくは、入力e1は入力キャパシタC11によって列導体COLに接続され、この入力と増幅器の出力との間に、フィードバックキャパシタC12が接続される。初期化信号RSAMP1によって制御されるスイッチがこのキャパシタC12と並列に配置される。信号RSAMP1によって制御されるスイッチ、および2つのキャパシタは、フォロワモード構成による増幅器の初期化を実行することを可能にし、出力において、入力基準電圧を複製することを可能にする(増幅器の出力S1は、2つの入力e1およびe2の間の電圧差が相殺されるまで変化する)。それゆえ、基準電圧レベルVREFが増幅器の出力S1上に加えられる。実際には、ループ増幅器のこの初期化は、蓄積ノードを再初期化する段階において実行される。電圧VREFは蓄積ノードNSを再初期化するために用いられ、対応する電圧レベルVcolが列導体COL上に再び現れる。この段階では、フィードバックループは無効にされ、利得効果を有しない。列の電圧レベルの変化は、フォロワトランジスタのドレインに印加される電圧レベルに影響を及ぼさない。後者は一定であり、Vrefに等しい。蓄積ノードNSおよび増幅器AMP1の再初期化後に、信号RSAMP1は緩和され、フィードバックループを有効にする。その後、列電圧Vcolと基準電圧VREFとの任意の電圧差は、負の利得がG1=−C11/C12である増幅器AMP1によって増幅される。 Preferably, the input e1 is connected to the column conductor COL by an input capacitor C11, and a feedback capacitor C12 is connected between this input and the output of the amplifier. A switch controlled by the initialization signal RS AMP1 is arranged in parallel with the capacitor C12. The switch controlled by the signal RS AMP1 and the two capacitors make it possible to perform the initialization of the amplifier according to the follower mode configuration and to duplicate the input reference voltage at the output (the output S1 of the amplifier) Changes until the voltage difference between the two inputs e1 and e2 cancels). Therefore, a reference voltage level VREF is applied on the output S1 of the amplifier. In practice, this initialization of the loop amplifier is performed in the phase of reinitializing the storage node. The voltage V REF is used to reinitialize the storage node NS and the corresponding voltage level Vcol reappears on the column conductor COL. At this stage, the feedback loop is disabled and has no gain effect. Changes in the voltage level of the column do not affect the voltage level applied to the drain of the follower transistor. The latter is constant and equal to Vref. After reinitialization of the storage node NS and the amplifier AMP1, the signal RS AMP1 is relaxed, enabling the feedback loop. Thereafter, any voltage difference between the column voltage Vcol and the reference voltage V REF, a negative gain is amplified by an amplifier AMP1 is G1 = -C11 / C12.

図4に、このフィードバック効果が示されている。同図は、フィードバックループによってピクセルのドレインに印加される電圧VREFPの変化を示す。これは、電荷(電子)を蓄積ノードに転送する段階(TRA)の間、またはその後に起こる。この段階(TRA)において、蓄積ノードNSへ転送されたフォトダイオードの電荷は、電荷/電圧変換係数に従って、このノードにおける電圧、ひいては同様に列上の電圧Vcolを変化させる(減少させる)。 FIG. 4 shows this feedback effect. The figure shows the change in the voltage V REFP applied to the drain of the pixel by the feedback loop. This occurs during or after the stage of transferring charges (electrons) to the storage node (TRA). In this stage (TRA), the charge of the photodiode transferred to the storage node NS changes (decreases) the voltage at this node and thus also the voltage Vcol on the column according to the charge / voltage conversion coefficient.

本例では、ループ利得Gは負であるため、それはピクセルの蓄積ノードにおける電荷/電圧変換係数を減少させる。蓄積ノードにおける電圧レベル、ひいては列上の電圧Vcolのレベルは、より緩やかに減少し、転送の終わりには、フィードバックループを有しなければ、同じ転送電荷量に対して得られたであろうレベルよりも高いレベルに達する。ループを有する場合、および有しない場合の電圧Vcolの変化は、図4において、実線の曲線および破線の曲線によってそれぞれ示される。この構成は高照度レベルにおいて有利であり、読み取り電子システムの飽和を回避することを可能にする。センサの全照度がより低い場合には、例えば、再初期化段階の外部においてさえもキャパシタC12を短絡させることによって、蓄積ノードの電荷を読み取る段階の間にフィードバックループを無効にするために、特定の操作が実行されてもよい。この操作はユーザによって決定されるか、またはセンサの全照度の自動検出の関数として決定されてもよい。代替的に、増幅器の利得を変更するために、ユーザまたは自動検出によって決定される操作が提供されてもよい。これは、例えば、照度の関数として、異なる値の別のキャパシタC11またはC12を選択することによって行われてもよい。 In this example, since the loop gain GL is negative, it reduces the charge / voltage conversion factor at the storage node of the pixel. The voltage level at the storage node, and hence the level of the voltage Vcol on the column, decreases more slowly, and at the end of the transfer, the level that would have been obtained for the same transfer charge if it had no feedback loop Reach higher levels. The change in voltage Vcol with and without the loop is shown in FIG. 4 by a solid curve and a dashed curve, respectively. This configuration is advantageous at high illumination levels and makes it possible to avoid saturation of the reading electronic system. If the total illuminance of the sensor is lower, it may be necessary to disable the feedback loop during the stage of reading the storage node charge, for example by shorting capacitor C12 even outside the reinitialization stage. The operation may be executed. This operation may be determined by the user or as a function of automatic detection of the total illumination of the sensor. Alternatively, an operation determined by the user or automatic detection may be provided to change the gain of the amplifier. This may be done, for example, by selecting another capacitor C11 or C12 with a different value as a function of illumination.

同じ原理により、交互に直列に接続される、図3の増幅器の構造と同等の構造を各々有する2つの増幅器を用いることによって、所定の正のループ利得Gを有するフィードバックループが作り出される。正のループ利得Gはピクセルの蓄積ノードにおける電荷/電圧変換係数を増大させる。所与の転送電荷量に対して、蓄積ノードにおける電圧レベルはより急速に減少し、転送の終わりには、フィードバックループを有しなければ、同じ転送電荷量に対して得られたであろうレベルよりも低いレベルに達する。この構成は低照度レベルにおいて有利である。センサの全照度がより高い場合には、例えば、再初期化段階の外部においてさえもキャパシタC12を短絡させることによって、蓄積ノードの電荷を読み取る段階の間にフィードバックループを無効にするために特定の操作が実行されてもよい。この操作はユーザによって決定されるか、またはセンサの全照度の自動検出の関数として決定されてもよい。代替的に、増幅器のうちの1つの利得を変更するために、ユーザまたは自動検出によって決定される操作が提供されてもよい。これは、例えば、照度の関数として、増幅器の各々に関連付けられるキャパシタの他の値を選択することによって行われてもよい。 By using the same principle, a feedback loop having a predetermined positive loop gain GL is created by using two amplifiers each having a structure equivalent to that of the amplifier of FIG. 3, alternately connected in series. A positive loop gain GL increases the charge / voltage conversion factor at the storage node of the pixel. For a given transfer charge amount, the voltage level at the storage node decreases more rapidly and at the end of the transfer, the level that would have been obtained for the same transfer charge amount without a feedback loop Reach a lower level. This configuration is advantageous at low illumination levels. If the total illuminance of the sensor is higher, it may be necessary to disable the feedback loop during the stage of reading the storage node charge, for example by shorting capacitor C12 even outside the reinitialization stage. An operation may be performed. This operation may be determined by the user or as a function of automatic detection of the total illumination of the sensor. Alternatively, an operation determined by the user or automatic detection may be provided to change the gain of one of the amplifiers. This may be done, for example, by selecting other values of capacitors associated with each of the amplifiers as a function of illumination.

この無効化もしくは有効化、またはこの利得変更は、例えば、センサの外部設定手段(プログラミング、制御ボタンなど)によって得られるか、または代替的に、センサにおいて得られるシーンの平均の明るさの測定に基づいて得られる。   This invalidation or validation, or this gain change, can be obtained, for example, by means of external setting of the sensor (programming, control buttons, etc.) or alternatively in the measurement of the average brightness of the scene obtained at the sensor. Obtained on the basis.

また、フィードバックループは、照度の関数として、正のループ利得または負のループ利得Gを有するように有効にすることができるように準備されてもよい。正または負の利得のこの選択は、センサの外部の設定手段(プログラミング、制御ボタン、セレクタなど)によって得られてもよいか、またはセンサによって実行される、シーンの平均の明るさの測定に基づいて得られてもよい。   The feedback loop may also be prepared so that it can be enabled to have a positive loop gain or a negative loop gain G as a function of illumination. This selection of positive or negative gain may be obtained by setting means external to the sensor (programming, control buttons, selectors, etc.) or based on a measurement of the average brightness of the scene performed by the sensor May be obtained.

このとき、このようなセンサによって、ユーザが、捕捉されることを意図されたシーンの照度に最も適した利得、照度が高い場合には、負の利得、逆にそれが低い場合には、正の利得、を有するフィードバックループを有効にすることが可能になる。   At this time, such a sensor allows the user to obtain a gain most suitable for the illuminance of the scene intended to be captured, a negative gain when the illuminance is high, and a positive gain when it is low. It becomes possible to enable a feedback loop having

図5は、ループ利得Gが、蓄積ノード内に蓄積された電荷を転送する段階の間に列導体によって提供される電圧レベルの関数である値に設定される、本発明に係るフィードバックループの改善された実施形態を示す。換言すれば、ループ利得Gは、ピクセルによって受光された照度に従属される。その結果、2つの端部の方におけるピクセルの使用可能なダイナミックレンジが改善される。 FIG. 5 shows a feedback loop according to the invention in which the loop gain GL is set to a value that is a function of the voltage level provided by the column conductor during the stage of transferring the charge stored in the storage node. An improved embodiment is shown. In other words, the loop gain GL is dependent on the illuminance received by the pixel. As a result, the usable dynamic range of the pixels towards the two ends is improved.

図5の実施形態では、フィードバックループの挙動の変更は正のループ利得と負のループ利得との間の選択に依拠するように準備されている。ただし、列電圧の関数としての従属は、異なる値を有する2つの正の利得もしくは2つの負の利得の間の選択、または代替的に、ループの有効化もしくは無効化の間の選択にも依拠することができるであろう。   In the embodiment of FIG. 5, a change in the behavior of the feedback loop is prepared to rely on the choice between a positive loop gain and a negative loop gain. However, the dependency as a function of column voltage depends on the choice between two positive gains or two negative gains with different values, or alternatively the choice between enabling or disabling the loop. Would be able to.

図5において、フィードバックループ100は、同じ構造を有する、負の利得を有する2つの増幅器を直列に備える:
− 負の利得G1を有する第1の増幅器AMP1であって、入力e1上において、入力キャパシタC11、フィードバックキャパシタC12、および初期化信号RSAMP1によって制御されるスイッチを備え、入力e2上において、第1の基準電圧VREF1を受け、負の利得はG1=−C11/C12である、第1の増幅器AMP1。
− 負の利得G2を有する第2の増幅器AMP2であって、入力e’1上において、入力キャパシタC21、フィードバックキャパシタC22、および初期化信号RSAMP2によって制御されるスイッチを備え、入力e’2上において、第2の基準電圧VREF2を受け、その利得はG2=−C21/C22である、第2の増幅器AMP2。
In FIG. 5, the feedback loop 100 comprises two amplifiers with the same structure and having a negative gain in series:
A first amplifier AMP1 having a negative gain G1, comprising on the input e1 a switch controlled by an input capacitor C11, a feedback capacitor C12 and an initialization signal RS AMP1 ; The first amplifier AMP1, which receives the reference voltage V REF1 and has a negative gain G1 = −C11 / C12.
A second amplifier AMP2 having a negative gain G2, comprising on the input e′1 a switch controlled by an input capacitor C21, a feedback capacitor C22 and an initialization signal RS AMP2 , on the input e′2 , The second amplifier AMP2, which receives the second reference voltage V REF2 and whose gain is G2 = −C21 / C22.

列導体COLは第1の増幅器の入力e1に、その入力キャパシタC11によって接続され、第1の増幅器の出力S1は第2の増幅器の入力に、その入力キャパシタC21によって接続される。増幅器の出力S1およびS2はコンパレータCOMPの入力に印加される。コンパレータCOMPの出力は、一方または他方の出力S1またはS2をフィードバックループの出力102上へ経路選択するための回路SWを制御する。したがって、読み取りのために選択されたピクセルのために制御された経路選択に依存して、出力電圧S1またはS2がピクセルのフォロワトランジスタT3のドレイン電圧VREFPとして得られる。実際には、この電圧は、列の全てのピクセル、読み取りのために選択されたピクセルおよび読み取りのために選択されていないピクセルのフォロワトランジスタのドレインに印加される。 The column conductor COL is connected to the input e1 of the first amplifier by its input capacitor C11, and the output S1 of the first amplifier is connected to the input of the second amplifier by its input capacitor C21. The amplifier outputs S1 and S2 are applied to the input of the comparator COMP. The output of the comparator COMP controls a circuit SW for routing one or the other output S1 or S2 onto the output 102 of the feedback loop. Thus, depending on the controlled path selection for the pixel selected for reading, the output voltage S1 or S2 is obtained as the drain voltage V REFP of the pixel follower transistor T3. In practice, this voltage is applied to the drains of the follower transistors of all the pixels in the column, the pixels selected for reading and the pixels not selected for reading.

したがって、コンパレータは一方の方向に切り替わるのか、それとも他方に切り替わるのかに従って、異なるループ利得、負の利得G1または正の利得G1×G2が存在する。この切り替わりは列導体上の電圧レベルに依存する。なぜなら、コンパレータの状態はこのレベルに依存するためである。高照度の場合には、コンパレータは信号S1をフォロワトランジスタのドレインへ経路選択し、ループ利得G1は負である。このとき、電荷/電圧変換係数は低くなる。逆に、低照度の場合には、それは信号S2をフォロワトランジスタのドレインへと経路選択し、ループ利得はG1G2である。このとき、電荷/電圧変換係数は高くなる。ピクセルを再初期化する段階の間は、ループ利得は存在せず、電圧Vref2がフォロワトランジスタのドレイン上に加えられる。   Thus, there is a different loop gain, negative gain G1 or positive gain G1 × G2 depending on whether the comparator switches in one direction or the other. This switching depends on the voltage level on the column conductor. This is because the state of the comparator depends on this level. For high illumination, the comparator routes signal S1 to the drain of the follower transistor and the loop gain G1 is negative. At this time, the charge / voltage conversion coefficient is low. Conversely, in the case of low illumination, it routes signal S2 to the drain of the follower transistor and the loop gain is G1G2. At this time, the charge / voltage conversion coefficient increases. During the phase of reinitializing the pixel, there is no loop gain and the voltage Vref2 is applied on the drain of the follower transistor.

増幅器AMP2の基準電圧VREF2は、増幅器AMP1の電圧VREF1よりも高いように選択される。一例では、VREF2は3.3ボルトに設定され、電圧VREF1は3ボルトに設定される。コンパレータCOMPは、蓄積ノードを初期化する段階の間は、経路選択手段SWを介して、フィードバックループの出力102において電圧VREF2を加えるように構成される。 The reference voltage V REF2 of the amplifier AMP2 is selected to be higher than the voltage V REF1 of the amplifier AMP1. In one example, V REF2 is set to 3.3 volts and voltage V REF1 is set to 3 volts. The comparator COMP is configured to apply the voltage V REF2 at the output 102 of the feedback loop via the path selection means SW during the phase of initializing the storage node.

このとき、出力S1およびS2は、入力において受けられた列電圧Vcolの関数として互いに対して逆に変化する。この電圧は、フォトダイオードから蓄積ノードへの電荷の転送の間に減少する:
S2はVREF2から開始し、その後、利得G1およびG2の積の関数である勾配をもって減少する。
S1はVREF1<VREF2から開始し、利得G1の関数である勾配をもって増大する。
At this time, the outputs S1 and S2 change inversely with respect to each other as a function of the column voltage Vcol received at the input. This voltage decreases during the transfer of charge from the photodiode to the storage node:
S2 starts at V REF2 and then decreases with a slope that is a function of the product of gains G1 and G2.
S1 starts with V REF1 <V REF2 and increases with a slope that is a function of gain G1.

初期化段階の間に出力S2が加えられ、低照度レベルの場合には、印加され続ける。電圧Vcolが閾値電圧に達し、それにより、値Vのために、出力S1およびS2が交差すると、出力S1が加えられる。コンパレータのこの切り替わり値Vは、基準電圧ならびに増幅器AMP1およびAMP2のそれぞれの利得によって固定される。実際には、それは、(VREF2−VREF1)/(G1+G1×G2)に等しい。 Output S2 is applied during the initialization phase and continues to be applied in the case of low illumination levels. Voltage Vcol reaches the threshold voltage, thereby to value V B, the outputs S1 and S2 intersect the output S1 is added. This switching value V B of the comparator is fixed by the reference voltage and the respective gains of the amplifiers AMP1 and AMP2. In practice, it is equal to (V REF2 −V REF1 ) / (G1 + G1 × G2).

これらの基準電圧および利得G1、G2はまた、ループ出力102が、フォロワトランジスタT3が常に飽和(フォロワモード)へバイアスされることを確実にするドレイン電圧VREFPを提供するように、選択される。 These reference voltages and gains G1, G2 are also selected so that the loop output 102 provides a drain voltage V REFP that ensures that the follower transistor T3 is always biased to saturation (follower mode).

実際には、G1およびG2は、積G×G1は−1に近くなり、G×G1×G2は1よりも大きく、かつ好ましくは、3よりも小さくなるように選択される。それは理想的には2〜2.5程度である。従来用いられているMOSトランジスタ技術では、フォロワトランジスタ利得Gは概ね0.8または0.9程度である。 In practice, G1 and G2 are selected such that the product G f × G1 is close to −1 and G f × G1 × G2 is greater than 1 and preferably less than 3. Ideally, it is about 2 to 2.5. In conventional MOS transistor technology, the follower transistor gain Gf is approximately 0.8 or 0.9.

次に、図6および図7の時間ダイアグラムを参照して、照度の関数として変更されるループ利得を有するこのようなループを用いてピクセルが読み取られる方法が説明される。図6は、低照度レベルに対応する、少数の電荷を収集したピクセルを読み取る場合を示し、図7は、高照度レベルに対応する、多数の電荷を収集したピクセルの読み取りを示す。   Next, with reference to the time diagrams of FIGS. 6 and 7, the manner in which pixels are read using such a loop with a loop gain that varies as a function of illumination is described. FIG. 6 shows the case of reading a small charge collected pixel corresponding to a low illumination level, and FIG. 7 shows the reading of a large charge collected pixel corresponding to a high illumination level.

これらの時間ダイアグラムに見ることができるように、フィードバックループが作用するのは、収集蓄積ノード内への電荷の転送の間またはその後である。   As can be seen in these time diagrams, the feedback loop operates during or after the transfer of charge into the collection storage node.

この前に、信号RSNSによって実行される、ピクセルの蓄積ノードNSを再初期化する段階が最初にある。この段階の間に、2つの増幅器AMP1およびAMP2は、図3を参照して説明されたように各々初期化され、それにより、出力S1においては基準電圧VREF1が現れ、出力S2においては基準電圧VREF2が現れる。実際には、図示されているように、初期化信号RSNS、RSAMP1、RSAMP2のそれぞれの継続期間は、蓄積ノードにおける電圧の安定化、次に、出力S1の安定化、次に出力S2の安定化を得るために規定される。以上において説明されたように、この段階の間において、ループ出力102にスイッチされるのは出力S2である。したがって、蓄積ノードの再初期化のレベルは電圧VREF2に設定される。列導体上におけるその複製である電圧Vcolは、(フォロワトランジスタの閾値電圧Vth以内で)実質的にこの同じレベルに設定される。 Before this, there is first a step of reinitializing the storage node NS of the pixels, which is performed by the signal RS NS . During this phase, the two amplifiers AMP1 and AMP2 are each initialized as described with reference to FIG. 3, so that the reference voltage V REF1 appears at the output S1 and the reference voltage at the output S2. V REF2 appears. In practice, as shown, the duration of each of the initialization signals RS NS , RS AMP1 , RS AMP2 is the stabilization of the voltage at the storage node, then the stabilization of the output S1, and then the output S2 Stipulated to obtain the stabilization of As explained above, it is the output S2 that is switched to the loop output 102 during this stage. Therefore, the reinitialization level of the storage node is set to voltage V REF2 . The voltage Vcol, which is its replica on the column conductor, is set to substantially this same level (within the threshold voltage Vth of the follower transistor).

再初期化段階の間は、再初期化電圧Vref2が増幅器を通過せずに蓄積ノードに印加されることができるであろうことに留意されたい。また、再初期化トランジスタT2は、再初期化信号によってそのゲートを制御しないダイオードとして接続されることができるであろうことにも留意されたい。再初期化は、ダイオードとして接続されたこのトランジスタのドレインへの電圧Vref2の印加の結果、行われる。   Note that during the reinitialization phase, the reinitialization voltage Vref2 could be applied to the storage node without passing through the amplifier. Note also that the reinitialization transistor T2 could be connected as a diode whose gate is not controlled by the reinitialization signal. The reinitialization is performed as a result of applying a voltage Vref2 to the drain of this transistor connected as a diode.

次に、信号TRAによって実行される、電荷を蓄積ノード内へ転送する段階の間に、(負の)電荷は、蓄積ノード上の電圧、ひいては電圧Vcolを減少させる。ループ利得は正であるため、出力電圧S2、ひいてはドレイン電圧VREFPは、蓄積ノードNS上の電圧よりも、ひいては列導体上の電圧Vcolよりも急速に減少し、変換係数は増大する。 Next, during the phase of transferring charge into the storage node, performed by the signal TRA, the (negative) charge decreases the voltage on the storage node and thus the voltage Vcol. Since the loop gain is positive, the output voltage S2, and thus the drain voltage V REFP , decreases more rapidly than the voltage on the storage node NS, and hence the voltage Vcol on the column conductor, and the conversion factor increases.

低照度レベルの場合には、少量の電子が転送される。増大された変換係数を有してさえも、電圧VcolはコンパレータCOMPの切り替わり閾値Vに達せず、電圧S2は転送段階全体にわたってドレイン電圧VREFPとして加えられる。この転送段階の終わりに、電圧Vcolは、フィードバックループがない場合に、同じ転送電荷量に対してそれが安定化されるであろうレベルよりも大幅に低いレベルにおいて安定化する。これは、図6に示されている。ピクセルの読み取りの間における電圧Vcolの変化を示す時間ダイアグラム上において、破線の曲線は、本発明に係るフィードバックループを有しなければそうなったであろう電圧レベルVcolを示し、それに対して、実線の曲線は、ループを有する場合の電圧レベルVcolの変化を示す。 In the case of a low illumination level, a small amount of electrons is transferred. Even having an increased conversion coefficient, voltage Vcol does not reach the threshold V B switching of the comparator COMP, the voltage S2 applied as the drain voltage V REFP throughout transfer phase. At the end of this transfer phase, the voltage Vcol stabilizes at a level significantly lower than the level at which it would be stabilized for the same amount of transfer charge in the absence of a feedback loop. This is illustrated in FIG. On the time diagram showing the change in voltage Vcol during pixel reading, the dashed curve shows the voltage level Vcol that would otherwise have been without the feedback loop according to the present invention, whereas the solid line This curve shows the change in the voltage level Vcol in the case of having a loop.

転送電荷量が少ないため、出力S1およびS2は交差しない。いずれもコンパレータのトリップ閾値Vに達しない。ピクセルを読み取るシーケンス全体にわたって、電圧VREFPはコンパレータの出力S2によって固定されたままであり、それが変化するのに従って変化する。 Since the transfer charge amount is small, the outputs S1 and S2 do not intersect. None reached the trip threshold V B of the comparator. Throughout the sequence of reading the pixel, the voltage V REFP remains fixed by the comparator output S2, and changes as it changes.

図7は、逆に、収集された電荷量が高い場合に起こることを示す。図3および図4を参照して説明されたように、列電圧は、フィードバックがない場合よりも緩やかに減少することになるが、転送電荷量が高いため、この場合には、出力1およびS2は交差し、コンパレータを切り替えさせることになる。転送段階の始めにおいて出力S2によって最初固定された電圧VREFPは、その後、出力S1に追随し、増大する。変換係数が低減され、電圧Vcolが過度に高い電圧レベルに達することが防がれる。 FIG. 7 shows, conversely, what happens when the amount of collected charge is high. As described with reference to FIGS. 3 and 4, the column voltage will decrease more slowly than without feedback, but because of the higher transfer charge, in this case the outputs 1 and S2 Will cross and cause the comparator to switch. The voltage V REFP initially fixed by the output S2 at the beginning of the transfer phase then follows the output S1 and increases. The conversion factor is reduced and the voltage Vcol is prevented from reaching an excessively high voltage level.

実際には、ピクセルの読み取りは概して、2つのアナログ/デジタル変換、およびその後に行われる、得られた2つのデジタル値の減算を含むことを見た。第1の変換は電荷転送段階の前の初期化レベルのものであり、ループ利得はなく、電圧Vcolは基準電圧VREF2に対応する。第2の変換は電荷転送後の作動レベルのものであり、ループ利得は照度の関数として変化する。得られる電圧Vcolは、転送段階の終わりにおいて、したがって、G1およびG2、あるいは代替的に、G1のみの関数として、蓄積ノードにおける実際の変換係数に依存することになる。 In practice, we have seen that pixel reading generally involves two analog / digital conversions followed by a subtraction of the two resulting digital values. First conversion are those of the previous initialization level of charge transfer stages, rather than the loop gain, voltage Vcol corresponds to a reference voltage V REF2. The second conversion is at the operational level after charge transfer and the loop gain varies as a function of illumination. The resulting voltage Vcol will depend on the actual conversion factor at the storage node at the end of the transfer phase and therefore as a function of G1 and G2 or alternatively G1 only.

したがって、2つの変換を同次にするための手段が読み取り回路内に提供される。とりわけ、コンパレータから到来する信号を読み取り回路へ伝送するための準備がなされることになる。   Thus, means are provided in the reading circuit for making the two transformations homogeneous. In particular, preparations are made for transmitting the signal coming from the comparator to the reading circuit.

上述の説明では、センサは、一方は最高照度に対応し、他方は最低照度に対応する、電荷/電圧変換係数の2つの値の間の自動切り替えを用いて動作し、この切り替えは、2つの異なるループ利得を用いる結果生じると仮定された。代替的に、3つ以上の異なる利得を用いる結果生じる、3つ以上の変換係数値の間の切り替えの自動制御を提供することができるであろう。   In the above description, the sensor operates using automatic switching between two values of the charge / voltage conversion factor, one corresponding to the highest illuminance and the other corresponding to the lowest illuminance, It was assumed to result as a result of using different loop gains. Alternatively, it would be possible to provide automatic control of switching between three or more transform coefficient values resulting from using three or more different gains.

Claims (10)

アクティブピクセルを備える画像センサであって、ピクセルおよび読み取り回路を備え、各ピクセルは、少なくとも1つの光感応要素、前記光感応要素によって発生された電荷の蓄積のための容量性ノード(NS)、およびフォロワトランジスタ(Tf)を有し、前記フォロワトランジスタ(Tf)のゲート(g)は前記蓄積ノードに接続され、前記フォロワトランジスタ(Tf)のソース(s)は、列導体(Col)であって、それ自体が読み取り回路(ADC)に接続される列導体(Col)に接続され、前記フォロワトランジスタ(Tf)のドレイン(d)は供給電圧(VREFP)を受ける、画像センサにおいて、フィードバックループ(100)が設けられ、前記ループは、前記列導体(COL)に接続される入力(101)、および前記フォロワトランジスタの前記供給電圧を提供するために前記フォロワトランジスタの前記ドレインに接続される出力(102)を有することと、受光された照度の関数として前記フィードバックループの挙動を変更するための手段が設けられることとを特徴とする、画像センサ。 An image sensor comprising an active pixel comprising a pixel and a readout circuit, each pixel comprising at least one light sensitive element, a capacitive node (NS) for accumulation of charge generated by said light sensitive element, and A follower transistor (Tf), the gate (g) of the follower transistor (Tf) is connected to the storage node, and the source (s) of the follower transistor (Tf) is a column conductor (Col i ) In an image sensor, a feedback loop is connected to a column conductor (Col i ) itself connected to a reading circuit (ADC), and the drain (d) of the follower transistor (Tf) receives a supply voltage (V REFP ). (100) is provided, and the loop is connected to the column conductor (COL). And having an output (102) connected to the drain of the follower transistor to provide the supply voltage of the follower transistor and to change the behavior of the feedback loop as a function of received illumination An image sensor is provided. 前記ループの前記挙動が、前記受光された照度の関数として前記ループを有効または無効にすることによって変更されることを特徴とする、請求項1に記載の画像センサ。   The image sensor of claim 1, wherein the behavior of the loop is changed by enabling or disabling the loop as a function of the received illuminance. 前記ループの動作が、前記受光された照度の関数として前記ループの利得(G)を変更することによって変更されることを特徴とする、請求項2に記載の画像センサ。 3. An image sensor according to claim 2, characterized in that the operation of the loop is changed by changing the gain ( GL ) of the loop as a function of the received illuminance. 前記ループの前記利得が正の値と負の値との間で変更されることを特徴とする、請求項3に記載の画像センサ。   4. The image sensor according to claim 3, wherein the gain of the loop is changed between a positive value and a negative value. 前記ループの前記挙動を変更するために用いられる前記受光された照度が、前記センサによって受光された全照度であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の画像センサ。   The image sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the received illuminance used to change the behavior of the loop is the total illuminance received by the sensor. . 前記ループの前記挙動を変更するために用いられる前記受光された照度が、前記ピクセルによって受光された照度であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の画像センサ。   The image sensor according to claim 1, wherein the received illuminance used to change the behavior of the loop is illuminance received by the pixel. 前記ループの前記挙動が、前記蓄積ノードの前記電荷が読み取られるときに前記列導体上に存在する電圧の関数として変更され、前記電圧は、前記ピクセルによって受光された前記照度を表すことを特徴とする、請求項6に記載の画像センサ。   The behavior of the loop is changed as a function of the voltage present on the column conductor when the charge on the storage node is read, the voltage representing the illuminance received by the pixel. The image sensor according to claim 6. 各ピクセルが、前記蓄積ノードを再初期化する段階(RS−NS)の後の電荷転送段階(TRA)の間に、前記ピクセルの前記光感応要素によって収集された前記電荷を前記容量性蓄積ノード(NS)へ転送するための転送トランジスタ(T1)を備える、請求項1〜7のいずれか一項に記載の画像センサにおいて、前記蓄積ノードを再初期化する前記段階の間に前記フィードバックループが無効にされることを特徴とする、画像センサ。 During the charge transfer stage (TRA) after each pixel re-initializes the storage node (RS- NS ), the charge collected by the photosensitive element of the pixel is stored in the capacitive storage node. 8. The image sensor according to claim 1, comprising a transfer transistor (T <b> 1) for transferring to (NS), wherein the feedback loop is during the step of reinitializing the storage node. An image sensor characterized in that it is disabled. 前記フィードバックループ(100)が、負の利得(G1)を有する第1の増幅器(AMP1)であって、その入力(e1)において前記列導体に接続される、第1の増幅器(AMP1)と、負の利得(G2)を有する第2の増幅器(AMP2)であって、その入力(e’1)において前記第1の増幅器の前記出力(S1)に接続される、第2の増幅器(AMP2)と、前記2つの増幅器の前記出力(S1、S2)を受信するコンパレータ(COMP)であって、その出力において、前記第1の増幅器の前記出力(S1)または前記第2の増幅器の前記出力(S2)のいずれかを前記フォロワトランジスタの前記ドレイン(d)へ案内するための経路選択手段(SW)のための制御信号(Sc)を提供する、コンパレータ(COMP)とを備えることを特徴とする、請求項1に記載の画像センサ。   A first amplifier (AMP1), wherein the feedback loop (100) is a first amplifier (AMP1) having a negative gain (G1), connected to the column conductor at its input (e1); A second amplifier (AMP2) having a negative gain (G2), connected at its input (e′1) to the output (S1) of the first amplifier. A comparator (COMP) that receives the outputs (S1, S2) of the two amplifiers, wherein the output (S1) of the first amplifier or the output (S1) of the second amplifier ( A comparator (COMP) for providing a control signal (Sc) for path selection means (SW) for guiding any of S2) to the drain (d) of the follower transistor Characterized Rukoto, image sensor according to claim 1. 前記第1の増幅器が、入力キャパシタ(C11)によって前記列導体に接続される第1の入力(e1)と、第1の基準電圧(VREF1)に接続される第2の入力(e2)と、フィードバックキャパシタ(C12)と、前記蓄積ノードを初期化する段階の間に前記フィードバックキャパシタを短絡させるためのスイッチとを備え、および前記第2の増幅器が、入力キャパシタ(C21)によって前記列導体に接続される第1の入力(e’1)と、第2の基準電圧(VREF2)に接続される第2の入力(e’2)と、フィードバックキャパシタ(C22)と、前記蓄積ノードを初期化する段階の間に前記フィードバックキャパシタを短絡させるためのスイッチとを備える、請求項9に記載の画像センサ。 The first amplifier has a first input (e1) connected to the column conductor by an input capacitor (C11), and a second input (e2) connected to a first reference voltage (V REF1 ). A feedback capacitor (C12) and a switch for shorting the feedback capacitor during the initialization of the storage node, and the second amplifier is connected to the column conductor by an input capacitor (C21) The first input (e′1) connected, the second input (e′2) connected to the second reference voltage (V REF2 ), the feedback capacitor (C22), and the storage node are initialized. The image sensor according to claim 9, further comprising a switch for short-circuiting the feedback capacitor during the converting step.
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